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ENSAIOS ELETROQUÍMICOS PARA AVALIAÇÃO DA CORROSÃO DAS ARMADURAS

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Academic year: 2021

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(1)

I SIMPÓSIO SOBRE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS PARA

ESTRUTURAS DE CONCRETO

ENSAIOS ELETROQUÍMICOS PARA

AVALIAÇÃO DA CORROSÃO DAS

ARMADURAS

Prof. Enio Pazini Figueiredo, UFG

epazini@terra.com.br

(2)

Livro Concreto: Ciência e Tecnologia

Editor: Geraldo C. Isaia

Enio Figueiredo – UFG

Gilberto Nery – USP

Pedro A. O. Almeida – USP

Monitoração de estruturas de concreto

Capítulo 35

(3)

• Inclusão do tempo como parâmetro de projeto no

código modelo fib 2010

• Estruturas devem ser resistentes à deterioração

• Estratégia de manutenção deve ser desenvolvida

junto com o projeto da estrutura

• A monitoração estrutural já é bem difundida no

mundo e em inglês recebe o nome de Structural

Health Monitoring, SHM

(4)

• SHM aplicada à conservação das construções

segundo o Código Modelo fib 2010

Defini as

atividades em 4 estágios

Estágio 1 – Na conclusão da obra, com ensaios de

recebimento

Estágio 2 – Na fase de operação da obra

Estágio 3 – Depois da ocorrência de um evento não

esperado em condições normais de projeto

Estágio 4 – Depois de uma intervenção (reparo ou

substituição)

Conceitos do SHM

(5)

• Técnicas para avaliação da corrosão ou do risco

de corrosão

Técnicas não perturbativas

Resistividade elétrica superficial do concreto

Potencial de eletrodo

Macropares galvânicos

Ruído Eletroquímico

Técnicas perturbativas

Resistência de polarização

Curva de polarização

Impedância eletroquímica

Sistemas de monitoramento da

corrosão

(6)

TÉCNICAS IMPORTANTES NO PERÍODO DE PROPAGAÇÃO

PERDA DE MASSA GRAVIMÉTRICA X ELETROQUÍMICA

∆MG = Mi – Mf

Onde,

∆MG

é a perda de massa gravimétrica

Mi

é o peso inicial da armadura após a limpeza

Mf

é o peso final da armadura após o ensaio e nova limpeza para retirar

os

produtos de corrosão.

Perda de massa gravimétrica (∆MG)

∆ME = 0,025 x iT

Onde,

∆ME

é a perda de massa eletroquímica

0,025

é uma constante de Faraday

iT

é a densidade de corrosão total

(7)

PERDA DE MASSA GRAVIMÉTRICA X ELETROQUÍMICA

Revestimento:

1 - argamassa de cimento e polímero monocomponente;

2 - argamassa de cimento e polímero termoplástico bicomponente com cargas especiais;

3 - argamassa de cimento e polímero

termoplástico bicomponente com inibidor de corrosão;

4 - argamassa de cimento e polímero termofixo tricomponente com inibidor de corrosão;

5 - epóxi rico em zinco;

6 - revestimento polimérico de base epóxi; 7 - revestimento polimérico com chumbo.

Comparação entre perdas de massa gravimétricas e eletroquímicas de

armaduras protegidas com diferentes revestimentos (FIGUEIREDO, 1994).

(8)

Icat – INTENSIDADE CATÓDICA

TÉCNICAS IMPORTANTES NO PERÍODO DE PROPAGAÇÃO

Medida a um potencial de –750 mV (ECS)

(9)

DIFUSÃO DE OXIGÊNIO

Para determinar o fluxo de oxigênio até a superfície da armadura do concreto, mede-se inicialmente a intensidade de corrente catódica (Icat), a um potencial constante de -750 mV, em relação a um eletrodo de calomelano saturado (ECS). Nesse potencial a única reação catódica possível é a redução de oxigênio (GJORV et al, 1986; ANDRADE et al, 1990). A Icat é registrada quando a curva corrente versus tempo alcança o chamado estado estacionário.

Com o valor de Icat no estado estacionário aplica-se a lei de Faraday para obter o fluxo de oxigênio (J(O2)) até a armadura.

J(O2) =

Icat

(GJORV et al, 1986}

n . F

onde,

J(O2) é o fluxo de oxigênio em mol/s;

Icat é a intensidade de corrente catódica no estado estacionário em Amper (A); n é o número de elétrons de valência (4);

F é a constante de Faraday (96500 C/mol).

(10)

DIFUSÃO DE OXIGÊNIO

A partir do J(O2), e utilizando a primeira lei de Fick, calcula-se o coeficiente de difusão

aparente de oxigênio Dap (O2)

Dap(O

2

) = J(O2) . e

S . Co

(PAGE e LAMBERT, 1987)

onde,

Dap(O2) é o coeficiente de difusão aparente de oxigênio em cm²/ s; J(O2) é o fluxo de oxigênio em mol/s;

e é a espessura do cobrimento em cm;

S é a área da armadura onde o oxigênio pode ser reduzido em cm²;

Co é a concentração de oxigênio em uma solução saturada de Ca(OH)2, em mol/cm³ (1,06 x 10-6 mol/cm³ , segundo PAGE e LAMBERT, 1987).

(11)

DIFUSÃO DE OXIXÊNIO

Valores de D

ap

(O

2

) para argamassa obtidos por diversos autores.

AUTOR

Dap(O

2

) (cm²/s)

Gjorv et al (1986)

1,3 x 10

-6

a 3,4 x 10

-6

*

Andrade et al (1990)

2,44 x 10

-6

**

Kobayashi et al (1991)

8,4 x 10

-6

Hansson (1993)

2,36 x 10

-6

**

Figueiredo (1994)

2,07 x 10

-6

* Varia em função do cobrimento

** calculado a partir dos dados autores

Situação Atual

(12)

RESISTIVIDADE

A resistividade elétrica do concreto é decisiva para a definição do período de

iniciação da corrosão e, ao lado da difusão de oxigênio, fundamental para a

propagação da corrosão. A resistividade pode ser obtida através do Método

de Wernner, ou método dos quatro eletrodos. A fórmula mostrada a seguir e

empregada para a obtenção da resistividade do concreto.

ρ = 2 . π . a . V

I

onde,

ρ

é a resistividade em ohm . cm;

a

é a distância entre os eletrodos em cm;

V

é a voltagem medida entre os eletrodos centrais em volts;

I

é a corrente em Amper.

(13)

RESISTIVIDADE

Esquema da medida da resistividade do método dos quatro eletrodos.

(14)

• Resistividade elétrica superficial do concreto

Pode ser influenciada por vários fatores

Figura 5 - Modelos de sensores para monitorar a resistividade superficial do concreto baseados na técnica dos quatro eletrodos (http://www.proceq.com)

(15)

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

PROPRIEDADES ELÉTRICAS DO CONCRETO

Os concretos, bem como outros materiais, têm propriedades elétricas que os caracterizam, especificamente relacionadas com a RESISTIVIDADE ELÉTRICA. Resistividade elétrica Condutividade elétrica Unidade KΩ.cm ou Ω.m

(16)

RESISTIVIDADE

Interpretação dos resultados do ensaio de resistividade

RESISTIVIDADE (ohm . cm)

RISCO DE CORROSÃO DA

ARMADURA

< 5000

MUITO ALTO

5000 A 10000

ALTO

10000 A 20000

BAIXO/MODERADO

> 20000

BAIXO

(17)

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Resistividade elétrica nas primeiras 24 horas

(18)

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Figura - Comparativo da resistividade elétrica das três misturas que foram submetidas à cura de 7 dias (1-7 dias).

(19)

POTENCIAL DE CORROSÃO

Potencial de equilíbrio é o que se estabelece a partir de uma situação de equilíbrio entre duas tendências: a dos átomos metálicos, em deixar o metal e passar para a dissolução, ionizando-se e hidratando-se, e a dos cátions, em depositar-se sobre o metal. A esse equilíbrio dinâmico é correspondido uma densidade de corrente de intercâmbio, equivalente à velocidade de dissolução anódica ou de depósito de cátions, segundo a Lei de Faraday.

A utilização da medida do Potencial de Corrosão tem a vantagem de ser uma técnica não destrutiva e de fácil aplicação, não sendo necessário o emprego de aparelhos caros e sofisticados. Porém, apresenta a desvantagem de apenas fornecer uma idéia relativa e aproximada do processo de corrosão instalado sobre a armadura, ou seja, do seu registro não se obtém nenhum dado quantitativo da cinética da corrosão.

A medida do Potencial de Corrosão da armadura consiste no registro da diferença de voltagem entre a armadura e um eletrodo de referência, que é colocado em contato com a superfície do concreto. A ASTM C-876 (1991) apresenta uma correlação entre intervalos de diferença de potencial, em relação a um eletrodo de referência de Cu/S04Cu, e a probabilidade de ocorrência de corrosão.

(20)

Sensores de potencial de corrosão

•Figura 18 - Eletrodo de Cobre/Sulfato de Cobre (HTTP://corrosion-doctors.org/Corrosion-Thermodinamics/Reference-Half-Cells-Cooper)

(21)

Sensores de potencial de corrosão

(a) (b)

Figura 19 – (a) Eletrodos comerciais de dióxido de manganês (MnO

2

); (b)

Instalação de eletrodo de referência de dióxido de manganês (FORCE

(22)

POTENCIAL DE CORROSÃO

Critérios de avaliação segundo a ASTM C-876.

Ecorr (mv, Cu/SO

4

Cu)

PROBABILIDADE DE

CORROSÃO

> -200

< 5%

entre -200 e -350

50%

< -350

> 95%

A utilização dessa técnica para a obtenção de um mapa de linhas

equipotenciais pode ser bastante útil no momento de identificar as regiões de

caráter anódico de uma estrutura de grandes dimensões (FIGUEIREDO et al.,

1991). Esses mapas têm sido usados para planejar trabalhos de reparo de

estruturas de concreto.

(23)

Sensores de potencial de corrosão

Probabilidade de corrosão em função do potencial em relação

ao eletrodo de referência de Ag/AgCl

Ecms (mV) Estado da Armadura

< - 270 Sem corrosão

- 270 a -370 Possibilidade de corrosão

(24)

Sensores de potencial de corrosão

•Figura 18 - Eletrodo de Cobre/Sulfato de Cobre (HTTP://corrosion-doctors.org/Corrosion-Thermodinamics/Reference-Half-Cells-Cooper)

(25)

Potencial de eletrodo

Influência da umidade do concreto seco e úmido sobre o potencial de

corrosão medido (modificado de VENNESLAND et all., 2009)

(26)

Potencial de eletrodo

•Influência da distância entre o eletrodo de referência e a região em processo de corrosão sobre o potencial de corrosão medido devido às linhas de equipotenciais formadas ao redor

(27)

Potencial de eletrodo

Influência da espessura do cobrimento sobre o potencial de corrosão

medido (modificado de VENNESLAND et all., 2009)

(28)

CURVAS DE POLARIZAÇÃO

A expressão gráfica da função potencial-intensidade de corrente é conhecida como Curva de Polarização.

POURBAIX (1949) parece ter sido o primeiro a realizar curvas de polarização sobre armaduras de aço imersas em dissoluções saturadas de Ca(OH)2. Posteriormente,

Kaesche, Baumel e Engell realizaram o mesmo em corpos-de-prova de argamassa sem adições. Desde então, as curvas de polarização vêm sendo amplamente empregadas em concreto armado para estudar fenômenos como a formação de pares galvânicos, corrosão sob tensão e efeito da carbonatação e cloretos sobre a corrosão eletroquímica.

O traçado dessas curvas proporciona informação tanto sobre a intensidade de corrosão (método de intersecção) como sobre a morfologia do processo: corrosão generalizada ou por pites (corrosão localizada). No entanto, essa técnica apresenta o inconveniente de ser destrutiva, sendo necessário confeccionar novos corpos-de-prova após a realização de uma medida. Além disso, devido à elevada resistência ôhmica do concreto, faz-se necessário compensar essa resistência ôhmica a cada momento do traçado da curva. A técnica é empregada em laboratório.

(29)

RESISTÊNCIA DE POLARIZAÇÃO

A Resistência de Polarização é obtida da inclinação de uma rampa potenciodinâmica (ΔE /ΔI) decorrente da imposição de uma polarização catódica inicial de 10 mV/minuto em torno do potencial de equilíbrio (ANDRADE et al., 1986). A Resistência de Polarização é obtida da pendente da curva formada pela variação da corrente (ΔI) em função da variação do potencial (ΔE).

Rp = ΔE ΔI

A velocidade ou intensidade instantânea de corrosão (Icorr) é obtida a partir da Resistência de Polarização e da aplicação da fórmula de STERN; GEARY (1957).

Icorr = __B__

Rp onde,

B é a constante que varia em função das características do sistema metal/meio e que dificilmente abandona o intervalo entre 13 a 52 mV.

(30)

• Monitoração com sensores portáteis

(a) (b)

Figura 4 – (a) Sensor portátil para monitorar resistividade do concreto;

(b) Sensor para monitorar o potencial e a velocidade de corrosão

• Monitoração com sensores embutidos no

(31)

RESISTÊNCIA DE POLARIZAÇÃO

Para o caso de armaduras embebidas no concreto ou argamassa, ANDRADE; GONZALEZ (1978) encontraram experimentalmente valores para "B", que levaram à obtenção de uma aceitável concordância entre as perdas de massa gravimétricas e eletroquímicas. As discordâncias encontradas foram normalmente menores do que o fator de 2 sugerido por STERN; WEISERT (1959).

Ao dividir a intensidade de corrosão, Icorr, pela área efetiva de estudo "S", obtém-se a densidade de corrosão, icorr.

icorr = __B__ Rp. S onde,

icorr é obtida em μA/cm²; B é dado em mV;

Rp é dada em kohm; S é dada em cm².

(32)

RESISTÊNCIA DE POLARIZAÇÃO

Critérios para avaliar os resultados de velocidade de corrosão (DURAR,

1997).

icorr (μA / cm²)

VELOCIDADE DO

PROCESSO

> 1

MUITO ELEVADA

0,5 a 1

ELEVADA

0,1 a 0,5

MODERADA

< 0,1

DESPREZÍVEL

(33)

IMPEDÂNCIA ELETROQUÍMICA

A expressão gráfica da função potencial-intensidade de corrente é

conhecida como Curva de Polarização.

O traçado dessas curvas proporciona informação tanto sobre a

intensidade de corrosão (método de intersecção) como sobre a

morfologia do processo: corrosão generalizada ou por pites (corrosão

localizada). No entanto, essa técnica apresenta o inconveniente de

ser destrutiva, sendo necessário confeccionar novos corpos-de-prova

após a realização de uma medida. Além disso, devido à elevada

resistência ôhmica do concreto, faz-se necessário compensar essa

resistência a cada momento do traçado da curva. A técnica é

empregada em laboratório.

(34)

IMPEDÂNCIA ELETROQUÍMICA

Modelo de Randles que simula o sistema eletroquímico metal/solução

(RANDLES, 1947).

TÉCNICAS IMPORTANTES NO PERÍODO DE PROPAGAÇÃO

Re  resistência do eletrólito

Cdc  capacidade da dupla camada eletroquímica

Rt  resistência de transferência (Rp)

(35)

IMPEDÂNCIA ELETROQUÍMICA

Diagrama de Nyquist (a) e Bode (b), referentes ao circuito equivalente de

RANDLES, 1947.

TÉCNICAS IMPORTANTES NO PERÍODO DE PROPAGAÇÃO

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 Z im ( o h m s ) Z r e ( o h m s ) N y q u is t (D e f) Re Re+Rp máx 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 . 0 0 0 0 1 0 . 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 |Z | (o h m s ) F r e q u e n c y ( H z ) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 p h a s e o f Z ( d e g ) B o d e | Z | & P h a s e (D e f)  (g ra u s) Freqüência (Hz) |Z | (O h m s) 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 . 0 0 0 0 1 0 . 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 |Z | (o h m s ) F r e q u e n c y ( H z ) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 p h a s e o f Z ( d e g ) B o d e | Z | & P h a s e (D e f)  (g ra u s) Freqüência (Hz) |Z | (O h m s)

(36)

IMPEDÂNCIA ELETROQUÍMICA

Uso da técnica de Impedância para avaliação da corrosão (FIGUEIREDO,

1994).

(37)

MEDIDA DE INTENSIDADE GALVÂNICA

Para medir a intensidade galvânica (Ig) que circula em uma pilha de

corrosão,

existem

vários

métodos.

MANSFELD

(1970),

FRAUNHOFER (1972), apud MARIBONA (1991) foram os primeiros

pesquisadores que ampliaram o uso do potenciostato para medir a

Intensidade Galvânica em estruturas de concreto.

A técnica consiste em aplicar uma diferença de potencial nula entre o

eletrodo de trabalho e o de referência, que, por sua vez, encontra-se

curto-circuitado ao contra eletrodo. A corrente indicada diretamente no

potenciostato é a Intensidade Galvânica, que circula através dos dois

tramos conectados ao potenciostato. De uso restrito ao laboratório,

essa técnica é importante no estudo das macro-pilhas de corrosão.

Um exemplo que vem sendo regularmente estudado é a influência do

tamanho do cátodo na velocidade de corrosão do ânodo.

(38)

RUÍDO ELETROQUÍMICO

Flutuações do potencial em corpos-de-prova de concreto com cloretos

(HARDON et al, 1988).

(39)

y = 0,1416e-0,005x R² = 0,8547 R = 0,9245 0,1 1 10 -800 -600 -400 -200 0 Ico rr (uA /cm² ) Ecorr (mV)

Correlação muito

forte

Potencial X Densidade de Corrente

Escala

(40)
(41)

20.000 Ώ . cm

5.000 Ώ . cm

Ecorr (mV, Cu/SO

4

Cu)

-120

-450

icorr (μA/cm²)

0,04

0,40

Exemplo numérico para o caso das

arquibancadas do estádio Beira Rio

(42)

OBRIGADO

PELA ATENÇÃO

epazini@terra.com.br

epazini1 (Skype)

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